研究发现光合作用升级秘籍，使大豆产量提高33%

日期:07-11-2023

世界农化网中文网报道： 受粮食短缺影响的人口正在增加。实现单位面积增产，是解决粮食安全、土地不足的有效途径。而″改善光合作用″被认为是实现产量跃升的主要途径之一。

近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校高级研究中心 Stephen Long 教授的实验室在提高大豆的光合作用效率上取得显著进展：田间试验表明，在没有施用肥料的情况下，经过针对提高光合作用效率的基因改造后，大豆产量平均提高 24.5%，在某些情况下提高 33%，而蛋白质和油含量保持不变。

这一研究结果以″Soybean photosynthesis and crop yield are improved by accelerating recovery from photoprotection″一文发表在 Science 上。就全球总产量而言，大豆是第四大粮食作物，也是最重要的植物蛋白来源。若这项技术得以普及，那么将大有助于减少森林砍伐、温室气体排放和生物多样性的丧失，并增加低收入国家农民的收入。

这项工作是 10 年前建立的全球合作的结果，主要由比尔和梅琳达·盖茨基金会资助，旨在通过改善光合作用来提高作物产量，并使这些升级后的作物可供撒哈拉以南非洲的小农户使用。研究人员正在探索几种″升级″方法，并尝试将其结合起来，以实现更显著的产量增加。

针对该研究成果，Long 认为″它将适用于大多数作物，我们也正在研究豇豆和水稻。″在这之前，已经有几个研究团队通过升级光合作用来促进烟草等植物的生长，但该研究是第一次针对粮食作物的田间试验。

Stephen Long 是美国国家科学院（NAS）、美国科学院（AAAS）和美国植物生物学学会（ASPB）会员及英国兰开斯特大学皇家学会作物科学系教授研究员。他致力于了解光合作用及其在全球气候变化下的适应性，以提高生物能源和粮食作物的产量。他的成就包括发现已知的生产力最高的陆地植物——一种来自亚马逊的草，以及开发了第一个完整的光合作用过程动态模型，该模型现成为设计改进光合作用的工具。他还将芒草（Miscanthus）确定为最具生产力的温带植物之一，因此芒草已成为欧洲和北美的主要可持续生物能源选择。

″我们认为通过改良光合作用，有可能获得高达 50% 的产量提高。″Long 说，″如果能够实现这一目标，那将称得上绿色革命。″绿色革命是指由于作物品种和其他技术的改良，在上世纪 50-60 年代实现的农作物大规模产量提高。

那么研究人员是如何对大豆进行基因编辑提升光合效率的呢？

简言之，转基因大豆具有更高的产量是因为它们更好地适应″从光照到阴暗″的变化，反之亦然。

当一片叶子处于充足的阳光下时，它吸收的光能比其光合作用系统所能处理的光能要多，而这会损害植物细胞。这时，为了避免过多的光能损害，植物会开启一种称为″非光化学淬火（nonphotochemical quenching，NPQ）″的机制来消散这些多余的能量。

NPQ 机制使得植物吸收的光能不再被用于光合作用，而是直接转化为热能浪费掉，从而避免植物遭到日照的伤害。它涉及通过增强内部转化为基态（非辐射衰变）来淬灭单线态激发态叶绿素（Chl），从而通过分子振动无害地消散多余的激发能量作为热量。当光照强度恢复正常时，NPQ 又会被关闭，以充分利用光能，植物重新回到正常的光合作用。NPQ 几乎存在于所有能进行光合作用的真核生物中。

然而，大多数作物打开和关闭 NPQ 的过程相当缓慢，并因此损失了大量能量。

Long 说，目前还不确定为什么会这样，可能是由于许多作物的野生祖先生长在半干旱的条件下，密度较低，叶片较少受到遮挡。而现在，在栽种条件下它们生长得非常紧密，太阳当空时，大多数叶子会受到其他叶片遮挡的影响。

能说明这一点的是，″一些野生植物，如蕨类植物，确实会更快地打开或关闭 NPQ。″Long 说。他的团队受此启发，在大豆中添加了参与 NPQ 过程的三个基因的额外拷贝，导致了更高水平的编码蛋白、加速了 NPQ 关闭过程，使光合作用更有效。

这三个基因分别是 AtVDE，AtPsbS 和 AtZEP（即 VPZ）。其中，VPZ 转基因的过表达导致大豆产量显着提高。在 8 个独立的转基因品系中，5 个系的大豆产量显著提高，且没有品系产量降低。与野生大豆相比，这五个转基因品系的产量平均增加 24.5%，其中 ND-18-34A 品系的差异最大，高达 33%。提高的产量得益于每株植物籽粒数量的提高。

值得注意的是，虽然″不给大豆作物施肥，但蛋白质含量没有改变。″Long 说。这很重要，因为大豆是全球蛋白质的主要植物来源。

″这项研究非常令人兴奋。″全球研究中心 Breakthrough Institute 高级粮食和农业分析师 Emma Kovak 表示，农业占所有温室气体排放量的三分之一，增产不仅有助于减少温室气体排放，而且通过减少森林砍伐，还有助于保护植物生物多样性和野生动物栖息地。

Kovak 此前估计，仅在美国，大豆作物的产量增加 15% 将减少相当于 1 亿吨二氧化碳的温室气体排放量。

″需要做出重大努力来改善作物，因为我们主要作物的年产量增长已经趋于稳定，而除了面临气候变化外，世界人口还正在增长。″英国埃塞克斯大学生物科学教授 Christine Raines 说，她的团队也正在研究另一种促进光合作用的方法。

″我们还需要以可持续的方式提高产量，例如，就像这项研究表明的那样，不需使用额外的氮肥。″Raines 说。

考虑到大多数作物不能像大豆和豇豆等拥有固氮能力的植物那样″自制″氮肥，可能需要额外的肥料来配合光合作用的升级，盖茨基金会也在资助赋予其他作物固氮能力的相关研究，以期产生巨大的环境效益。